CN1441970A - 光接收器件及含有该光接收器件的光接收模块 - Google Patents

Abstract

光接收器件具有在第一导电类型的低杂质浓度衬底上制作的第一导电类型高杂质浓度层和环绕之的第二导电类型高杂质浓度层，使之作为光接收部分。第一和第二导电类型的高杂质浓度层是在衬底上表面沿同一方向排列的。短载流子寿命层制作于衬底下表面。这样，不需要的光成分产生的载流子到达短载流子寿命层时就有较短的寿命，使得可以充分截除不需要的长波光成分。

Description

光接收器件及含有该光接收器件的光接收模块

技术领域

本发明涉及到光接收器件及含有该光接收器件的光接收模块。

背景技术

用于遥控的光接收模块中所包含的光接收器件通常包括红外光光接收器件。通常所知，这种光接收器件的实例有图9所示沿衬底厚度方向或图10所示沿衬底表面制作的PIN型二极管组成光接收部分的那些光接收器件。在图9中，参考数字101代表P型层，参考数字102代表P⁺层，参考数字103代表N⁺层，参考数字104代表SiO₂绝缘层，参考数字105代表N型电极，以及参考数字106代表P型电极。图9所示的结构具有这样的缺点，即长波长成分的光产生的载流子扩散(箭头Lp所示)到达P⁺层102并产生光电流。另一方面，在图10中，参考数字201代表耗尽层(其厚度用W表示)，参考数字202代表P⁺层，参考数字203代表做成环形的N⁺层，参考数字204代表SiO₂绝缘层，参考数字205代表N型电极，以及参考数字206代表P型电极。图10所示的结构具有这样的缺点，即长波长成分的光产生的载流子207即使出现在耗尽层201以外，在载流子207的扩散长度(Lp)内也会产生光电流。这样，在常规的光接收器件中，接收比所需波长更长的光会引起误动作。

像这样的光接收器件通常以盖有可见光屏蔽树脂的形式来使用，以防可见光引起的误动作。而且，这样的光接收器件对电磁噪音是极敏感的，这也会在与之结合的光接收模块中引起误动作。为避免这一点，在光接收模块中加入导电膜(金属化膜)，或在模块外壳的光接收窗口配备网状结构。另一方面，在树脂封装而非金属壳的光接收模块中，在所用的光接收器件表面制作网状的金属导电膜。

在使用红外光接收模块的照明设备中，可见光的影响是使用覆盖有可见光屏蔽树脂的光接收模块或光接收器件来克服的。然而，事实上，照明设备装有带通滤波器等来减轻荧光灯光的影响，因为荧光灯光含有的光成分跨越其光谱的许多波长。而且，近年来，日益普遍地一起使用多盏荧光灯或使用更高亮度的荧光灯，因而比以前更加注意因荧光灯光谱中特定波长(例如，1,013nm)光成分引起的光接收模块的误动作。为此，光接收模块实际上或是在盖有可见光屏蔽树脂的光接收器件顶部配备干涉滤光器，以使接收的信号滤除了光谱中不需要的特定波长光成分，或是在可见光屏蔽树脂中嵌有干涉滤光器。

这就要增加制作光接收模块的零件和组装工序的数目，因而增大了成本。而且，对于干涉滤光器嵌在光屏蔽树脂中的情形，由于干涉滤光器的安装精度、树脂从干涉滤光器脱落以及其他因素，很难达到满意的可靠性。

而且，对于封装在树脂中的光接收模块，在内部的光接收表面上制作有网状的金属导电膜，在光接收器件表面直接制作这样的导电元件等于在其上形成平行板电容器。这就增加了器件的电容，因而缩短了含有这种器件的光接收模块可接收信号的距离。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光接收器件和光接收模块，即使其接收光的波长大于所需的波长也不会产生误动作。本发明的另一个目的是提供一种光接收器件和光接收模块，即使其接收光的波长不是所需要者等也不会产生误动作而且不增大器件的电容。本发明还有一个目的是提供一种光接收模块，它不会响应于不需要的特定波长等的光而产生误动作，而且在光接收窗口不需要带通滤波器、干涉滤波器或网状结构。

为达到上述目的，根据本发明在光接收器件中，在低杂质浓度的衬底上制作第一导电类型的高杂质浓度层和第二导电类型的高杂质浓度层作为光接收部分，第一和第二导电类型的高杂质浓度层安排在衬底上表面的同一方向上，在衬底下表面制作一低载流子寿命层。此低载流子寿命层可为第一和第二导电类型的高杂质浓度层。作为选择，此低载流子寿命层可为在衬底中掺入某种杂质如金，形成深能级层。此第一和第二导电类型的高杂质浓度层之一可被与另一个第一和第二导电类型的高杂质浓度层保持同电位的电极屏蔽。根据本发明，光接收模块是将上述的光接收器件用绝缘材料固定在引线框上来制作的。

作为选择，根据本发明，光接收模块包含引线框、固定在引线框上的光接收器件、以及将引线框与光接收器件封在一起的绝缘树脂。在这里，光接收器件包含：低杂质浓度的衬底；在衬底下表面制作的短载流子寿命层；在衬底上表面制作的预定厚度的第一导电类型高杂质浓度层；在衬底上表面制作的环绕着第一导电类型高杂质浓度层的第二导电类型高杂质浓度层，此第一和第二导电类型高杂质浓度层一起作为光接收部分；在衬底上表面制作的绝缘层；以及在绝缘层上制作的电极，它与第一导电类型的高杂质浓度层保持同电位以屏蔽第二导电类型高杂质浓度层。而且，短载流子寿命层被绝缘树脂固定在引线框上，

附图说明

图1表示实施本发明的光接收器件的剖面图。

图2为图1的光接收器件平面图。

图3表示实施本发明的另一种光接收器件的平面图。

图4为光谱灵敏度特性图。

图5表示实施本发明的光接收模块的平面图。

图6表示实施本发明的另一种光接收器件的平面图。

图7为图6的光接收器件的剖面图。

图8为表示实施本发明的另一种光接收模块的示意剖面图。

图9为常规实例的示意剖面图。

图10为另一种常规实例的示意剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的实施方式。图1为表示本发明第一实施方式的光接收器件剖面图，图2为其平面图。光接收器件1具有在低杂质浓度衬底2上表面制作的光接收部分3，和在衬底2下表面制作的短载流子寿命层4。

衬底2为，例如，第一导电类型(P型)的Si衬底，具有4×10¹³cm^-3或更低的器件杂质浓度，厚300μm。此衬底2被制备为高阻的，例如比电阻为500Ωcm或更高，作为(P-)层2a。在衬底2的下表面，扩散N型杂质如磷(P)制作第二导电类型(N型)的高杂质浓度层4作为短载流子寿命层，其深度为150μm。在图中为方便起见，此第二导电类型的高杂质浓度层4被标作(N+B)。此N型高杂质浓度层4是如此制备的，使之具有(当用Si衬底时)高于1×10¹⁶cm^-3的杂质浓度，在此浓度下从载流子寿命(纵轴)与杂质浓度(横轴)的特性图(未示出)上观察到，随着载流子浓度的逐渐升高，载流子寿命开始急剧缩短，因此，例如制备为具有3×10¹⁸cm^-3的杂质浓度。

光接收部分3包含在衬底2上表面沿同一方向安排的第一导电类型的高杂质浓度层30和第二导电类型的高杂质浓度层31。在图中为方便起见，第一导电类型的高杂质浓度层30被标作P+，第二导电类型的高杂质浓度层31被标作(N+F)。第一导电类型的高杂质浓度层30是在衬底2上表面的环形区域中扩散P型杂质如硼(B)制成的。此杂质层30被制备成3×10¹⁹cm^-3的杂质浓度，深3μm。另一方面，第二导电类型的高杂质浓度层31是在衬底2上表面被层30环绕的区域中扩散N型杂质如磷(P)制成的。此杂质层31被制备成具有20Ω/□的薄层电阻，深(厚度)1-2μm。

在衬底2的表面上制作膜5，例如氧化硅膜(SiO₂)作为表面保护和抗反射膜。膜5的某些部分用光刻除去以与第一和第二导电类型的高杂质浓度层30和31′接触。在膜5上，汽相淀积金属如铝并用光刻除去其不需要的部分以形成P型侧和N型侧的电极6和7。

现在，将说明此实施方式的光接收器件的工作。首先，量子效率R，即入射在光接收器件1上的光沿深度方向以量子效率被转换为光电流，由下式给出，R＝1-exp(-αW)/(1+αLp)。这里W代表低杂质浓度区2a的厚度(即，施加反向偏压时耗尽层扩展的厚度)，α代表给定波长的光的吸收系数，Lp代表衬底背面高浓度层4中载流子的扩散长度。因此，对低杂质浓度区2a给以充分的厚度W就可增大效率R，换言之，对不需要的特定波长的光就要限制厚度W。然而，在图9所示的光接收器件和前面的描述中，即使限制低杂质浓度区101的厚度，那些产生在高杂质浓度层107中属于扩散长度Lp的载流子也产生光电流，使得不能充分减少长波长光成分的影响。另一方面，在图10所示光接收器件上表面制作的光接收部分中，由于施加平行于衬底上表面的电场，可降低耗尽层201沿深度方向的扩展，而耗尽层是光接收的有效区域，但产生在耗尽层外属于扩散长度的载流子也产生光电流，这也不能充分减少长波长光成分的影响。

与之对照，在本发明的第一实施方式中，如图1和2所示，制作在低杂质浓度区2a背面的高杂质浓度层4用来使低杂质浓度区2a的厚度限制为根据上述公式计算的厚度W。这就能使产生在高杂质浓度层4中的载流子在产生光电流之前被迅速消除。这里，背表面的高杂质浓度层是与上表面的电极(P型侧和N型侧的电极6和7)无关的，即彼此电绝缘的。

按照这种方法，高杂质浓度层4使低杂质浓度区2a(耗尽层)的厚度W限制为最佳厚度，并且还缩短了达到高杂质浓度层4的不需要光成分产生的载流子寿命(即，缩短Lp)，防止其扩散。这样就能充分截除不需要的光成分(长波长光成分)。

在此实施方式中，为消除波长为1,000nm的光，取P型低杂质浓度区2a的厚度W为90μm。这里，背面的高杂质浓度层4具有1μm的载流子扩散长度，对于波长1,000nm的光其光吸收系数为7×10¹cm^-1。图4表示图1所示光吸收器件的光谱灵敏度特性曲线A和图9所示光接收器件的光谱灵敏度特性曲线B。此图表明，在这里波长为1,000nm的入射光接收灵敏度降为常规得到者的1/6。

图3表示光接收器件1修改的实施方式。此光接收器件与图1所示和上述者有同样的内部结构但其表面形状不同。具体地讲，这里，在平面图中看到的高杂质浓度层30被做成从三面而非四面围绕着高杂质浓度层31。而且，P型侧和N型侧的电极6和7被安排在光接收器件的异侧而非并列。

图5为实施本发明的光接收模块8主要部分的平面图，光接收模块加有光接收器件1。此光接收模块8具有装在金属引线框9上的光接收器件1，它们由模塑一起封在含有屏蔽可见光成分的绝缘树脂10中。这里，光接收器件1由导电粘合剂装在与其他引线框部分13和14分开的中间引线框部分12上，使得光接收器件1与其他引线框部分电绝缘。在两侧的引线框部分13和14与P型侧和N型侧电极6和7之间焊有金丝连线15a和15b等以提取光接收器件1探测的信号。

图6和7表示光接收器件1的另一种实施方式，其中在光接收表面提供了电磁屏蔽。图7是沿图6所示A-A线截取的剖面图。此光接收器件的结构与图1所示者相似，除了衬底2和光接收部分3的导电类型按其材料是N或P型而完全相反、在衬底2表面有屏蔽电极16、以及其他方面以外。具体说来，低杂质浓度的衬底2，例如N型Si衬底，其器件杂质浓度为4×10¹³cm^-3或更低，厚度300μm。制作在衬底2背面的短载流子寿命层4做成与衬底2导电类型相同，即N型的高杂质浓度层。此N型高杂质浓度层4被制备成，例如，杂质浓度3×10¹⁸cm^-3，深(厚度)150μm。

光接收部分3包括第一导电类型的高杂质浓度层32和第二导电类型的高杂质浓度层33，都安排在衬底2上表面的相同方向上。在此图中，为方便起见，第一导电类型的高杂质浓度层32标作P+，第二导电类型的高杂质浓度层33标作(N+F)。第一导电类型的高杂质浓度层32是在衬底2表面的中间部分扩散P型杂质如硼(B)制成的。此杂质层32被制备成具有20Ω/□的薄层电阻，深1-2μm。另一方面，第二导电类型的高杂质浓度层33是在衬底2上表面环绕层32的区域扩散N型杂质如磷制成的。此层31被制备成具有3×10¹⁹cm^-3的杂质浓度，深(厚度)3μm。

在衬底2表面上制作绝缘膜5，例如，氧化硅(SiO₂)作为表面保护和抗反射膜。膜5的一些部分用光刻除去以便与第一和第二导电类型的高杂质浓度层32和33接触。在膜5上汽相淀积金属如铝并用光刻除去其不需要的部分而形成P型侧和N型侧的电极60和70。制作在绝缘膜5上的N型侧电极70做得宽于层33。P型侧电极60做成环形，使之除了在制作N型侧电极70的区域外从上面完全盖住层33，从而形成屏蔽电极16。

图8表示实施本发明的光接收模块8，它含有图6和7所示的光接收器件1。此光接收模块8含有光接收器件1和装在公共引线框9上用来驱动光接收器件的IC17，它们用树脂10模塑封在一起形成单塑模结构。这里树脂10为含屏蔽可见光材料的绝缘树脂，但塑模可用另一种树脂制作。

一般说来，光探测器和驱动IC制作在一个芯片上的单片结构要损失光探测器的光接收灵敏度。为此，此光接收模块8采用两片结构将光接收器件1与驱动器IC17联合起来而具有高速工作和高灵敏度的优点。具体说来，在引线框9上，光接收器件1用绝缘粘合剂18来固定，而IC17则用导电粘合剂19来固定。这样，在光接收器件1与IC17间所需的唯一附加连接是前者的N型侧电极70与后者的放大电路部分用金丝20等构成的连线。光接收器件1的P型侧电极60由金丝21等连接至引线框9而与地电位相连。

如上所述，将光接收器件1用绝缘粘合剂18固定在公共引线框9上，然后用连线21连接引线框9与电极60，电极60与层32相连，层32是在光接收器件1上表面形成的光接收表面，这就能实现一种结构，其易受电磁噪音影响的光接收器件1被夹在同电位的上、下层之间，从而达到了有效的电磁屏蔽。而且，层33的表面也可由屏蔽电极16来屏蔽。

为使电磁屏蔽更有效，图8所示的光接收模块可有一种结构，使光接收器件1的侧面由与引线框9的同电位层挡住。具体说来，与光接收器件1侧面等高的侧壁22与引线框9做成一体，此侧壁22也用作电磁屏蔽。作为选择，引线框9的一部分可做成下陷的部分，使光接收器件1座在其中。即使单个这样的侧壁22挡住光接收器件1的一个侧面也可起电磁屏蔽作用，但提供多个这样的侧壁挡住更多的器件侧面是优选的，更为优选的是挡住光接收器件1的所有四个侧面。这些侧壁22在结构关系上不是绝对必须的，但对达到更佳的屏蔽效果却是有用的。

上述实施方式讨论的是，作为实例，PIN光电二极管型光接收器件1。然而本发明不仅适用于这种特殊类型的光接收器件而且也适用于通用的PN型光电二极管以及将光接收器件与作为驱动器的IC集成在同一衬底上。

上述实施方式讨论了一些实例，其中N型高杂质浓度层被用作短载流子寿命层4。然而，也可代之以P型高杂质浓度层。向衬底掺入杂质如金产生深能级形成有助于缩短载流子寿命的一层，因此也能用这样一层作为层4。上述实施方式有如下优点。

(1)使光接收器件本身具有截止滤波器功能，即，降低了长波光的灵敏度。通常，照明设备装有带通滤波器等来减轻荧光灯光的影响，因为荧光灯光含有的光成分跨越其光谱的许多波长。而且近年来，日益普遍地一起使用多盏荧光灯或使用更高亮度的荧光灯，因而比过去更加注意光接收模块对荧光灯光谱中特定波长(例如，1,013nm)光成分引起的误动作。为此，实际上光接收模块或是使用在盖有可见光屏蔽树脂的光接收器件顶部配备干涉滤光器，以使接收的信号滤除了光谱中不需要的特定波长的光成分，或是在可见光屏蔽树脂中嵌有干涉滤光器。这就要增加制作光接收模块的零件和组装工序的数目，因而增大了成本并对其尺寸有了限制。所有这些问题都可克服，因而能够实现便宜、超小型的光接收模块。

(2)对于干涉滤光器嵌在树脂中的情形，由于干涉滤光器的安装精度、树脂从干涉滤光器上脱落及其他因素，很难达到满意的可靠性。这样的不稳定性可被排除。而且，能防止在结处(即，耗尽层外)产生载流子，因而抑制了扩散的载流子，只留下漂移的载流子，从而达到快速响应。

(3)光接收器件本身，在其上面和侧面备有电磁屏蔽功能。当金属导体件用作电磁屏蔽时，入射光被金属导体件反射，因此金属导体件减小了有效光接收面积(入射光损失)。这可被克服。用金属导体件作为电磁屏蔽减小了有效光接收面积，因此金属导体件在光接收器件表面上不能占过大的面积。这就导致不充分的电磁屏蔽。与此对照，在上述实施方式中，光接收器件表面本身用作屏蔽层，提供了充分的电磁屏蔽。对于封在树脂中的光接收模块，在内部的光接收表面上制作有网状金属导体件，在光接收器件表面上直接制作这样的导体件等于在此形成平行板电容器。这就增大了器件电容，因而缩短了加有这种光接收器件的光接收模块可接收信号的距离。与此对照，在上述的实施方式中，能够防止增大器件电容，因而可避免缩短加有这种光接收器件的光接收模块可接收信号的距离。由于光接收器件本身具有电磁屏蔽功能，这就无须通常在光接收模块内装备的防电磁噪音导电膜(金属化膜)，或甚至通常配置在模块外壳光接收窗口内的网状结构。用这种方法就能消除电磁屏蔽的分立件，因而实现了超小型光接收模块。在上述实施方式中，可一起使用电磁屏蔽分立件，这样就能达到远比常规结构优越的电磁屏蔽效果，虽然限制了小型化。

(4)另一个优点是，如图6和7所示的实施方式，使与一个电极70(提取信号的电极)相连的层33由另一个电极60(连接预定电位的电极)覆盖，就能够改变，如果需要，电极形状和器件P型和N型层的安排。

工业适用性

如上所述，根据本发明，能够使噪音影响降至最低因而防止误动作。能够减少零件和组装工序数目。能够防止增大器件电容因而达到快速响应。能够实现小型化。按照这种方法，本发明在性能、设计、制造和成本方面都是所希望的，因此可在光接收器件和光接收模块如红外遥控器方面找到广泛应用。

Claims (9)

1.一种光接收器件，在低杂质浓度的衬底上沿衬底上表面的同一方向制作有第一导电类型的高杂质浓度层和第二导电类型的高杂质浓度层，使之起光接收部分的作用，

其中在衬底下表面制作有短载流子寿命层。

2.一种权利要求1的光接收器件，

其中短载流子寿命层为第一或第二导电类型的高杂质浓度层。

3.一种权利要求1的光接收器件，

其中短载流子寿命层是对衬底掺入杂质如金形成深能级而成的。

4.一种权利要求1的光接收器件，

其中第一和第二导电类型的高杂质浓度层之一被电极屏蔽，此电极与另一个第一和第二导电类型的高杂质浓度层保持同电位。

5.一种光接收器件包含：

低杂质浓度的衬底；

制作在衬底下表面的短载流子寿命层；

在衬底上表面制作的第一导电类型的高杂质浓度层，它具有预定的厚度；

在衬底上表面制作的第二导电类型的高杂质浓度层，它环绕第一导电类型的高杂质浓度层，第一和第二导电类型的高杂质浓度层一起作为光接收部分；

在衬底上表面制作的绝缘层；以及

在绝缘层上制作的电极，与第一导电类型的高杂质浓度层保持同电位来屏蔽第二导电类型的高杂质浓度层。

6.一种权利要求5的光接收器件，

其中电极宽于第二导电类型的高杂质浓度层，并且制作成平行于第二导电类型的高杂质浓度层，绝缘层夹于其间。

7.一种光接收模块，包含引线框和固定在引线框上的光接收器件，

其中光接收器件的制作包括：在低杂质浓度的衬底上制作第一导电类型的高杂质浓度层和第二导电类型的高杂质浓度层作为光接收部分，第一和第二导电类型的高杂质浓度层在衬底上表面沿同一方向排列，然后在衬底下表面制作短载流子寿命层，用绝缘材料将短载流子寿命层固定在引线框上。

8.一种光接收模块，包含引线框、固定在引线框上的光接收器件、以及将引线框和光接收器件封在一起的绝缘树脂，

其中光接收器件包含：低杂质浓度的衬底；制作在衬底下表面的短载流子寿命层；制作在衬底上表面侧具有预定厚度的第一导电类型高杂质浓度层；制作在衬底上表面侧环绕第一导电类型高杂质浓度层的第二导电类型高杂质浓度层，第一和第二导电类型的高杂质浓度层一起作为光接收部分；制作在衬底上表面的绝缘层；以及制作在绝缘层上与第一导电类型高杂质浓度层保持同电位的电极，以屏蔽第二导电类型的高杂质浓度层，

短载流子寿命层用绝缘材料固定在引线框上。

9.一种如权利要求8所述的光接收模块，其中短载流子寿命层与引线框相连。

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